一种高通量陶瓷过滤膜及其制备方法技术

本发明专利技术属于陶瓷过滤膜材料的技术领域，公开了一种高通量陶瓷过滤膜及其制备方法。本发明专利技术的方法：1)将高分子材料成膜，获得高分子底膜；2)将陶瓷颗粒、粘结剂以及水混匀，获得陶瓷膜涂膜液；3)将陶瓷膜涂膜液涂覆在高分子底膜上，干燥，得到陶瓷膜转印膜；4)将陶瓷膜转印膜中由陶瓷膜涂膜液形成的膜层与支撑体粘合，干燥，排胶，烧成，得到陶瓷过滤膜。本发明专利技术的方法能够实现对过滤膜孔径和厚度准确控制，避免膜层内渗，提升膜通量，同时减少陶瓷过滤膜的缺陷。通过本发明专利技术方法所获得的陶瓷过滤膜具有较高的膜通量，过滤层无裂纹，并且过滤层与支撑体具有较好的结合强度。本发明专利技术的方法简单，易于生产。

【技术实现步骤摘要】
一种高通量陶瓷过滤膜及其制备方法
本专利技术属于陶瓷过滤膜材料的
，具体涉及一种高通量陶瓷过滤膜及其制备方法。
技术介绍
陶瓷过滤膜具有热稳定性高、耐腐蚀、寿命长等特点，在食品加工业、工业废水处理等方面有较多的应用，且具有大规模处理城市污水以及制备饮用水的潜力。商业用陶瓷过滤膜主要是用α-Al2O3材料制备支撑体，Al2O3、ZrO2或TiO2等制备过滤层。然而陶瓷过滤膜制备成本相对较高，限制了其广泛应用。陶瓷过滤膜的通量是其关键性能之一，在相同工作压力、时间等条件下，陶瓷过滤膜通量越大，过滤效率越高，使用成本就会越低。因此，高通量陶瓷过滤膜的制备具有较大的社会意义与经济价值。陶瓷过滤膜通常具有非对称结构，主要由过滤层和支撑体构成。过滤层孔径小，且厚度薄，决定了陶瓷过滤膜的选择透过性和分离效率。支撑体孔径大，且厚度厚，主要功能是作为过滤层的载体，为膜提供依附和机械强度。陶瓷过滤膜的通量取决于过滤膜孔结构参数，包括平均孔直径，孔隙率，曲折度等以及过滤膜的厚度。对过滤膜孔径、厚度等进行准确控制至关重要。传统陶瓷过滤膜制备工艺，在浸渍-提拉法等传统涂覆过滤层前驱体工艺中，过滤层前驱体主要是以液相形式存在，由于毛细孔力等作用，成膜颗粒容易渗入支撑体大孔，显著降低陶瓷过滤膜通量，且涂覆过程容易受支撑体形貌、涂膜液黏度等性质影响，造成过滤层厚度不易控制、重复性不好等缺点。有文献(WangYH,LiuXQ,MengGY.Preparationandpropertiesofsupported100％titaniaceramicmembranes[J].MaterialsResearchBulletin,2008,43(6):1480-1491.)采用浸渍-提拉的方法，分别使用平均粒径为0.37μmTiO2粉体制备了陶瓷过滤膜，过滤层孔径为0.10～0.12μm，厚度为15～20μm，但其通量仅为740Lm-2h-1bar-1。近年来，研究者提出牺牲中间层法、热涂覆法、纤维搭建法等减少陶瓷涂膜液中小颗粒渗入支撑体大孔，一定程度上提升了陶瓷过滤膜的通量。文献报道(QinW,PengC,WuJ.Asacrificial-interlayertechniqueforsingle-stepcoatingpreparationofhighlypermeablealuminamembrane[J].CeramicsInternational,2016,43(1):901-904.)用牺牲中间层法制备的过滤膜孔径为0.24μm，厚度为10.0μm，纯水通量为1410Lm-2h-1bar-1。然而这些方法都存在一些不足，比如普遍存在膜厚度和膜孔径不易控制，以及前面提到的牺牲中间层的烧成容易造成过滤层开裂、热涂覆法中涂膜液快速干燥过程容易产生裂纹等缺陷、纤维搭建过滤层与支撑体结合强度相对较低，且孔径分布受纤维影响较大等问题。
技术实现思路
为了克服现有技术的缺点和不足，本专利技术的目的在于提供一种高通量陶瓷过滤膜及其制备方法。本专利技术的方法能够实现对过滤膜孔径和厚度准确控制，避免膜层内渗，提升膜通量，同时减少陶瓷过滤膜的缺陷。通过本专利技术方法所获得的陶瓷过滤膜具有较高的膜通量，过滤层无裂纹，并且过滤层与支撑体具有较好的结合强度。本专利技术的目的通过以下技术方案实现：一种高通量陶瓷过滤膜及其制备方法，包括以下步骤：1)将高分子材料成膜，获得高分子底膜；2)将陶瓷颗粒、粘结剂以及水混匀，获得陶瓷膜涂膜液；所述陶瓷膜涂膜液中还包括助剂，所述助剂包括消泡剂、表面活性剂和分散剂；所述陶瓷颗粒、粘结剂以及水的质量比为(5-20)：(20-40)：(20-55)，粘结剂以溶液的形式使用；所述陶瓷颗粒：消泡剂：表面活性剂：分散剂的质量比为(5-20)：(0-0.3)：(0-0.4)：(0-1)；当陶瓷膜涂膜液中还包括助剂时，助剂与陶瓷颗粒、水先混合均匀(球磨混合)，然后与粘结剂混合；3)将陶瓷膜涂膜液涂覆在高分子底膜上，干燥，得到陶瓷膜转印膜；4)将陶瓷膜转印膜中由陶瓷膜涂膜液形成的膜层与支撑体粘合，干燥，排胶，烧成，得到陶瓷过滤膜。所述支撑体在与膜层粘合之前需润湿。陶瓷膜涂膜液中陶瓷颗粒的质量占比为5％-20％。所述高分子材料为不溶于水的高分子材料，如：聚乙烯醇缩丁醛(PVB)。所述高分子材料成膜是指先配成溶液，涂覆，干燥，获得高分子底膜。涂覆的厚度为5μm-30μm。溶液的质量浓度为3％-5％。所述陶瓷颗粒为氧化铝陶瓷颗粒、氧化锆陶瓷颗粒、氧化钛颗粒、氧化硅颗粒中的一种以上；所述陶瓷颗粒的粒径为50nm-1000nm。所述粘结剂为易溶于水的高分子粘结剂，是指聚乙烯醇(PVA)、羧甲基纤维素(CMC)等粘结剂。所述粘结剂以溶液的形式使用，溶剂为水，其浓度为5wt％-20wt％。所述消泡剂为硅油类消泡剂、聚醚类消泡剂等。所述表面活性剂为氟碳类表面活性剂。所述分散剂为水溶性有机分散剂，包括聚丙烯酸(PAA)、聚乙二醇(PEG)中一种以上。步骤2)中所述混匀是指采用球磨混合均匀。步骤3)中所述涂覆的厚度为10μm-30μm。步骤4)中所述支撑体的材质为氧化铝、氧化锆、氧化硅、氧化钛；支撑体的平均孔径为0.5μm-20μm。所述排胶的温度为300-600℃，时间为0.5h-10h。所述烧成的温度：当陶瓷颗粒为氧化铝时，烧成的温度为1200℃-1350℃；当陶瓷颗粒为氧化锆时，烧成的温度为1050℃-1150℃；当陶瓷颗粒为氧化钛时，烧成的温度为1050℃-1150℃；当陶瓷颗粒为氧化硅时，烧成的温度为800℃-900℃。所述烧成时间为0.5h-20h(进一步地为0.5-10h)。步骤1)中将高分子材料成膜是指将高分子材料配成溶液，涂覆在平板上，干燥，成膜。当高分子底膜在平板上形成后，步骤4)中陶瓷转印膜与平板分离，然后由陶瓷膜涂膜液形成的膜层与支撑体粘合。所述高通量陶瓷过滤膜通过上述方法制备得到。在纺织、化工、电子、冶金、石油、工业废水处理、生物制药等多个领域具有较大的应用潜力。本专利技术首先单独制备了双层结构的陶瓷膜转印膜。该转印膜包含了两层材料：陶瓷膜形成层和高分子底膜层。陶瓷膜形成层的作用是烧成后形成过滤层；高分子底膜层一方面为转印膜提供柔韧性，便于粘贴，另一方面约束陶瓷膜形成层中粘结剂在润湿时膨胀引起的非均匀变形，可明显减少陶瓷过滤膜缺陷。待转印膜干燥后，将转印膜与平板分离，粘贴在润湿的支撑体上。再经过高温煅烧处理，除去高分子和实现烧成，最终得到陶瓷过滤膜。本专利技术的方法制备陶瓷过滤膜有以下优点：1.避免形成陶瓷膜形成层的颗粒内渗堵塞陶瓷支撑体；2.可以不要中间过渡层；3.陶瓷过滤膜的过滤孔径、厚度的可以准确控制，膜表面均匀。本专利技术与现有技术相比，具有如下优点和效果：(1)本专利技术采用陶瓷膜转印法，避免了陶瓷过滤膜小颗粒在涂膜过程中渗入支撑体大孔，实现提升陶瓷过滤膜通本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高通量陶瓷过滤膜的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：/n1)将高分子材料成膜，获得高分子底膜；/n2)将陶瓷颗粒、粘结剂以及水混匀，获得陶瓷膜涂膜液；/n3)将陶瓷膜涂膜液涂覆在高分子底膜上，干燥，得到陶瓷膜转印膜；/n4)将陶瓷膜转印膜中由陶瓷膜涂膜液形成的膜层与支撑体粘合，干燥，排胶，烧成，得到陶瓷过滤膜。/n

【技术特征摘要】
1.一种高通量陶瓷过滤膜的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)将高分子材料成膜，获得高分子底膜；
2)将陶瓷颗粒、粘结剂以及水混匀，获得陶瓷膜涂膜液；
3)将陶瓷膜涂膜液涂覆在高分子底膜上，干燥，得到陶瓷膜转印膜；
4)将陶瓷膜转印膜中由陶瓷膜涂膜液形成的膜层与支撑体粘合，干燥，排胶，烧成，得到陶瓷过滤膜。


2.根据权利要求1所述高通量陶瓷过滤膜的制备方法，其特征在于：所述高分子材料为不溶于水的高分子材料；
所述陶瓷颗粒为氧化铝陶瓷颗粒、氧化锆陶瓷颗粒、氧化钛颗粒、氧化硅颗粒中的一种以上；
所述烧成的温度：当陶瓷颗粒为氧化铝时，烧成的温度为1200℃-1350℃；当陶瓷颗粒为氧化锆时，烧成的温度为1050℃-1150℃；当陶瓷颗粒为氧化钛时，烧成的温度为1050℃-1150℃；当陶瓷颗粒为氧化硅时，烧成的温度为800℃-900℃。


3.根据权利要求1所述高通量陶瓷过滤膜的制备方法，其特征在于：所述排胶的温度为300℃-600℃。


4.根据权利要求1所述高通量陶瓷过滤膜的制备方法，其特征在于：排胶的时间为0.5h-10h；
所述烧成时间为0.5h-20h。


5.根据权利要求1所述高通量陶瓷过滤膜的制备方法，其特征在于：步骤2)中所述陶瓷颗粒、粘结剂以及水的质量比为(5-20)：(20-40)：(20-55)，粘结剂以溶液的形...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴建青，尹晓琴，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44